Demistificare il monitoraggio delle vibrazioni - Parte 2: Principi di analisi delle vibrazioni sulle macchine rotanti

Accesso rapido 
Parte 1: Perché il monitoraggio delle vibrazioni è importante e come funziona
Parte 2: Principi di analisi delle vibrazioni sulle macchine rotanti
Parte 3: Identificazione e interpretazione dei modelli complessivi di vibrazioni e guasti
Parte 4: Diagnosi di squilibrio, disallineamento, allentamento e usura dei cuscinetti

I test di vibrazione sulle macchine rotanti forniscono informazioni essenziali sulle condizioni della macchina. Ecco alcuni concetti fondamentali sulle vibrazioni: 

Se, ad esempio, l'albero motore fa ruotare l'albero della pompa a 1776 giri/min, un punto pesante sull'albero genera una forza verso l'esterno in tutte le direzioni radiali mentre l'albero ruota. È come un hula hoop. 

Nota: Anche una macchina sana può presentare delle vibrazioni durante la rotazione dell'albero, ma questo è considerato normale. 

Il sensore in alto rileva la vibrazione una sola volta per giro sull'asse verticale (nella figura in basso a sinistra). L'onda sinusoidale (nella figura in basso a destra) mostra la vibrazione verticale durante la rotazione dell'albero. Un giro completo dell'albero corrisponde a un ciclo completo di un'onda sinusoidale. Il picco si verifica quando il punto pesante si trova in alto e la valle quando il punto pesante si trova in basso. 

Nella Figura 1, si può osservare come RPM dell'albero = CPM dell'onda sinusoidale. 

Altri componenti della macchina sull'albero

L'albero motore rotante fa ruotare l'albero della pompa attraverso il giunto. Ogni volta che una paletta della girante passa davanti al sensore sulla parte superiore, si crea una piccola vibrazione. Se la pompa ha 10 palette, il sensore rileva la vibrazione di una paletta 10 volte per ogni giro dell'albero. (La girante della pompa si muove alla stessa velocità dell'albero della pompa.) Un'onda sinusoidale rappresenta 10 cicli completi. 

La massa maggiore del motore e dell'albero della pompa causerà un'ampiezza (magnitudine) di vibrazione maggiore rispetto alla girante. L'onda sinusoidale per la vibrazione della girante della pompa avrà un'ampiezza inferiore rispetto alla vibrazione dell'albero, ma un numero maggiore di cicli (10) per una rotazione completa dell'albero. Nella Figura 2, si può osservare come le vibrazioni delle pale della girante sull'albero siano uguali ai cicli dell'onda sinusoidale. 

Forme d'onda complesse

Se sovrapponiamo le due onde sinusoidali (albero e girante della pompa) potremmo ottenere l'aspetto della Figura 3:

Figure 3

Ma in realtà le vibrazioni si sommano tra loro e assomigliano di più alla Figura 4:

Figure 4

E 20 o 30 vibrazioni provenienti da diversi componenti di una vera macchina rotante potrebbero apparire come nella Figura 5:

Analisi di frequenza (spettro)

La forma d'onda temporale contiene informazioni sulla macchina, ma gli schemi dei diversi componenti si sovrappongono e si mescolano per creare una visualizzazione estremamente complessa. Un algoritmo matematico (FFT) converte la complessa forma d'onda temporale in un grafico semplice chiamato spettro di frequenza. Separa le singole forme d'onda in modo da poterle analizzare separatamente. Questa conversione viene eseguita all'interno del tester. 

I dati della forma d'onda e i dati spettrali sono gli stessi dati sulle vibrazioni, solo due modi diversi di visualizzarli. 

Dal nostro esempio precedente, possiamo vedere come la forma d'onda complessa in alto a sinistra sia composta dalle due forme d'onda separate al centro. Queste possono quindi essere convertite in uno spettro (nella Figura 6 sopra), che è un semplice grafico dell'ampiezza del segnale (asse y) in funzione della frequenza (asse x). 

Osserviamo la stessa cosa negli spettri di una vera macchina rotante nella Figura 7 sopra. 

•  Questi picchi si trovano a frequenze specifiche che rappresentano le vibrazioni in atto nella macchina. La diagnostica della macchina consiste nell'abbinare i picchi nello spettro agli eventi che si verificano nella macchina. 
•  L'analisi spettrale è lo strumento principale che utilizziamo per diagnosticare le condizioni delle nostre macchine rotanti. 

Conclusione

Grazie alla capacità di scomporre segnali di vibrazione complessi in modelli semplici e riconoscibili, l'analisi dello spettro ci offre una finestra potente su ciò che accade realmente all'interno delle nostre macchine, spesso prima che i problemi diventino visibili o udibili.

???? Leggi la Parte 3 → Identificazione e interpretazione dei modelli complessivi di vibrazioni e guasti

Autore Bio: John Bernet è uno specialista di applicazioni e prodotti meccanici presso Fluke Corporation. Grazie ai suoi oltre 30 anni di esperienza nella manutenzione e gestione di centrali nucleari e macchinari in impianti commerciali, John ha collaborato con clienti di tutti i settori implementando programmi di affidabilità. È un analista di vibrazioni certificato di Categoria II e un professionista certificato per l'affidabilità della manutenzione (CMRP), con oltre 20 anni di esperienza nella diagnosi di guasti alle macchine.